Física II Ondas, Fluidos e Termodinâmica USP Prof. Antônio Roque Aula 15

Transcrição

1 Ondas (continuação) Ondas propagando-se em uma dimensão Vamos agora estudar propagação de ondas. Vamos considerar o caso simples de ondas transversais propagando-se ao longo da direção x, como o caso de uma onda em uma corda por exemplo. O primeiro passo é encontrar uma função matemática que descreva a forma da onda em um dado instante de tempo. Por forma da onda estaremos pensando na forma da linha que indica os deslocamentos da corda em cada ponto x no instante t. Por enquanto, não vamos propor uma forma funcional específica para descrever a onda, mas vamos apenas usar a notação genérica y(x,. A figura abaixo mostra a forma da onda (um pulso) para dois instantes de tempo, 0 e t. Entre 0 e t o ponto A da onda caminhou uma distância x = vt para a direita. 1

2 Vamos agora definir outro sistema de referência, que denominaremos de sistema linha, que está sentado rigidamente sobre o ponto A da onda. Imagine um surfista de pé sobre uma prancha na crista de uma onda que se propaga durante certo intervalo de tempo sem alterar a sua forma. O desenho abaixo é o mesmo desenho da figura acima, só que agora com os eixos do sistema linha sendo mostrados por linhas tracejadas. Em t = 0 os dois referenciais coincidem, mas no tempo t a origem do sistema linha, O, está deslocada por uma distância x = vt em relação à origem do sistema sem linha, O. 2

3 A relação entre os referenciais linha e sem linha é dada pela transformação de Galileu (observe a figura acima, onde a coordenada x do ponto A é indicada em vermelho e a coordenada x do ponto A é indicada em verde), x ' = x vt; y' = y. (1) Vista do referencial linha, a função que descreve a onda não muda no tempo (porque o referencial se move junto com a onda). Vamos chamar esta função de f(x ), de maneira que y ( x, = y ( x,0) = f ( x ). (2) 3

4 Vista do referencial sem linha, a forma da onda é a mesma que a da função f(x ), só que movendo-se no tempo para a direita com velocidade v. Sendo assim, podemos escrever, y( x, f ( x v =. (3) O valor da função y em um ponto x no instante t é o mesmo que o medido pelo referencial linha no ponto x dado por x = x vt. É importante entender o que a equação acima significa. Ela nos diz que y, que é uma função de x e de t, só depende dessas duas variáveis combinadas na forma x vt. Por exemplo, vamos supor que f(x ) é uma função seno, f ( x ) = sen( ax ). Então, [ a( x v ] y( x, = sen, que é diferente de sen(ax ou sen(ax + a por exemplo. Qualquer onda que se propaga para a direita com velocidade constante v é descrita, num referencial estático como o referencial sem linha, por uma equação do tipo y( x, f ( x v =. (4) 4

5 Se o movimento da onda for para a esquerda, a equação que descreve o seu movimento será do tipo y ( x, f ( x + v =. (5) Se, numa dada região do espaço, houver uma onda propagando-se da esquerda para a direita e outra onda propagando-se da direita para a esquerda, a equação que descreve o movimento combinado das duas ondas é ( x v y ( x, = f ( x v + g +. (6) Um tipo particular de onda bastante importante é aquele em que a função y, para um ponto x fixo, varia no tempo como um MHS. Uma onda deste tipo é chamada de onda harmônica. Vamos supor que, para o referencial linha que acompanha o movimento da onda, a função f(x ) que descreve a onda é senoidal: ( k +ϕ) f ( x ) = Acos x, (7) onde A, k e φ são constantes. O gráfico desta função é algo do tipo: 5

6 Vamos passar agora a trabalhar no referencial parado no espaço (o referencial sem linha), em relação ao qual a onda se propaga. Notem que este é o nosso referencial. Vamos supor que a onda se propaga para a direita, de maneira que a função que descreve o comportamento da onda no espaço e no tempo é do tipo y( x, f ( x v =. Substituindo nessa expressão a função senoidal que descreve a onda no referencial linha (para fazer isso, basta colocar o termo (x v no lugar de x em 7), [ k( x ) +ϕ] y( x, = Acos vt. (8) Para um ponto x qualquer fixo (por exemplo x * ), a equação acima dá: y( x, = Acos y( x, = Acos [ k( x v + ϕ] = Acos kvt + ( kx + ϕ) [ ] [ kvt + δ ] = Acos[ ( kvt δ )] = Acos( kvt δ ). Comparando a expressão obtida acima com a de um movimento harmônico simples (equação 8 da aula 1), y ( x t ) = A cos ( kvt δ ) e y ( t ) = A cos ( ωt + α ), MHS, vemos que o ponto x * executa um MHS com frequência angular, ω = kv. (9) 6

7 A frequência e o período da oscilação temporal do ponto x * são, portanto: f ω kv 1 π = = e T = = 2. (10) f kv Substituindo a expressão (9) na equação para a onda senoidal (equação 8), obtemos esta equação escrita em termos da frequência angular: ( kx ω + ϕ ) y ( x, = A cos t. (11) Esta função é conhecida como função de onda de uma onda harmônica. Ela descreve o comportamento de uma onda harmônica propagando-se para a direita, para qualquer ponto x e qualquer instante de tempo t. A função de onda para uma onda harmônica propagando-se para a esquerda é dada por: ( kx + ω + ϕ ) y ( x, t ) = A cos t. (12) É importante que você entenda bem o significado da função de onda. Ela é uma função de duas variáveis, x e t. Fixando um tempo t, ela nos diz como y varia ao longo do espaço (coordenada x) neste instante fixo (veja abaixo). 7

8 Por outro lado, para um ponto espacial x fixo, a função de onda nos diz como a coordenada y desse ponto varia no tempo (veja abaixo). Observe que as funções acima são periódicas (senoidais), tanto para t fixo como para x fixo. 8

9 No caso do gráfico para x fixo, o período da oscilação é (equação 5 da aula 1) T =. (13) ω No caso do gráfico para t fixo, podemos obter uma expressão para o período espacial, ou comprimento de onda, da oscilação de uma maneira análoga à feita na aula 1. Chamando o período espacial de λ, ele é definido por: Substituindo (12) em (14): ( x t ) y ( x + λ, = y,. (14) [ k ( x + λ ) ωt + ϕ ] = A cos ( kx ωt + ϕ ) A cos. Esta identidade é satisfeita se ou k λ =, λ =. (15) k Combinando as equações (15) e (9): ou k ω f = = e k = v v λ v f = 1 λ, 9

10 λ f = v, (16) ou seja, o produto do comprimento de onda pela frequência temporal, ou simplesmente frequência, da função de onda é igual à velocidade de propagação da onda. Resumo (para fixar e evitar confusões): A função de onda harmônica é dada por (o sinal de menos indica uma onda propagando-se para a direita e o sinal de mais indica uma onda propagando-se para a esquerda): y( x, = A cos ( kx m ωt + ϕ ) = A cos ( x m vt ) + ϕ λ. (17) A função de onda harmônica implica que tanto a variação temporal como a variação espacial da onda são senoidais. Portanto, tanto uma como a outra tem amplitude, período, frequência, frequência angular e fase. As amplitudes da oscilação temporal e da oscilação espacial são iguais a A. Ela é chamada de amplitude da onda e é medida em metros (m). A frequência da oscilação temporal, denotada aqui por f 1, é chamada de frequência da onda. A frequência da onda é medida em s -1 ou hertz. 1 Muitos livros representam a freqüência pela letra grega υ, mas isto não será feito aqui para não confundir com a velocidade v. 10

11 A frequência angular da oscilação temporal é ω =. (18) f Ela é chamada de frequência angular da onda e é medida em rad/s ou s -1. O período da oscilação temporal é Ele é medido em segundos (s). T = = ω 1 f. (19) O período da oscilação espacial é λ. Ele é chamado de comprimento de onda e é medido em metros (m). A frequência da oscilação espacial dá o número de comprimentos de onda por unidade de comprimento. Ela é definida por 1 σ = (20) λ e é chamada de número de onda. Ela é medida em m -1. Esta grandeza não é usada na prática. A frequência angular da oscilação espacial é chamada de número de onda angular. Ela é dada por k = 2 πσ =, (21) λ 11

12 e é medida em rad/m ou m -1. Como σ não é usado, é comum chamar k simplesmente de número de onda. Esta será a terminologia adotada aqui. O comprimento de onda e a frequência da onda estão relacionados entre si por λ f = v, (22) onde v é a velocidade de propagação da onda. Esta equação permite escrever a frequência angular como O argumento da função de onda, v ω = 2 πf =. (23) λ φ ( x, = kx ω t + ϕ, (24) é chamado de fase da onda. A constante φ é chamada de constante de fase. No início desta aula, falamos de uma situação hipotética em que se estaria sentado sobre um dado ponto da onda, acompanhando seu deslocamento junto com ela. Com a terminologia que acabamos de definir, esta situação corresponde a acompanhar o deslocamento da onda ao longo do tempo de um ponto onde a fase φ é constante, φ ( x, t ) = kx ω t + ϕ = φ = 0 constante. Derivando esta expressão em relação a t, 12

13 ou dφ dx = k ω = 0, dt dt dx dx ω k = ω = = v. dt dt k Isto significa que a velocidade de um observador que acompanha o deslocamento da onda sentado sobre um ponto de fase constante é igual à própria velocidade v da onda. Por causa disso, a velocidade da onda também é chamada de velocidade de fase. Para terminar esta aula, vamos adicionar que a função de onda (uma função real) também pode ser escrita em notação complexa como: y [ ] i( kx ω t + ϕ ) ( x t ) = Re Ae,. (25) Assim como no caso dos fenômenos oscilatórios, o uso da representação complexa também simplifica a análise matemática de fenômenos ondulatórios. 13